A fully coupled Fluid Structure Interaction model for assessing ship hard grounding dynamics

Laivojen onnettomuustilastoissa korostuvat karilleajot. Nämä voivat johtaa öljyvuotoihin, vakavaan vuotoon ja laivan kaatumiseen, merkittävään omaisuusvahinkoon ja ihmishenkien menetykseen. Tähän mennessä karilleajojen vaikutus laivaturvallisuuteen, siten kuin se on huomiotu IMOn SOLAS-säännnöissä, on pohjautunut rajallisiin tilastoihin onnettomuuksista. Parempien turvallisuusmääräysten kehittäminen vaatii nopeita ja kohtuullisen tarkkoja malleja, joita voitaisiin käyttää laivan rakenteiden eheyttä ja vaurioituneen laivan vakavuutta koskevissa säännöissä. Tämä on tärkeää myös laivan riskienhallinnan vaihtoehtojen ja tulevaisuuden päätöksentekojärjestelmien kehittämisen näkökulmasta. Tässä tutkimuksessa on ollut tavoitteena tarkastella karilleajon dynamiikan vaikutuksia yhdistämällä laivahydrodynamiikan ja rakenteen vaurionsietokyvyn perusperiaatteita ja näiden vaikutusta vaurioituneen laivan vakavuuteen tavalla, jota voitaisiin hyödyntää laivan turvallisuuslähtöisessä suunnittelussa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tässä väitöskirjassa esitetään nopea virtaus-rakenne-vuorovaikutus -malli karilleajon dynamiikan idealisoimiseksi realistisissa operointiolosuhteissa. Kehitetyn mallin avulla demonstroidaan, miten olemassa olevia vauriotilastoja voitaisiin päivittää huomioimaan matkustajalaivojen determinististen karilleajovaurioiden vaikutuksia. Tutkimuksen väitöksiä tukee kolme kansainvälistä, vertaisarvioitua lehtiartikkelia. Julkaisussa-I esitetään nopea kuuden vapausasteen aikatason ohjailumalli laivoille, joissa on perinteinen yksi- tai kaksipotkurinen potkuri-peräsin -järjestely. Kaksipotkurialuksia varten esitetään referessimenetelmä, joka pyrkii huomioimaan muutokset aluksen hydrodynaamisissa voimissa. Malli on validoitu ohjailuliikkeiden osalta vertaamalla simuloituja tuloksia olemassa oleviin mallikoetuloksiin. Julkaisussa-II esitetään virtaus-rakenne-vuorovaikutusmalli (FSI). Esitetty tapa yhdistää sisäisen ja ulkoisen mekaniikan ja tutkii levyn aukeamiskulman muutoksen vaikutusta erilaisilla kiven tunkeuman syvyyksillä. Mallin tarkkuutta on tutkittu vertailemalla saatuja tuloksia kaupallisen 3D LS-DYNA MCOL -ohjelman simulointituloksiin. Julkaisussa-III kehitettyä FSI-mallia käytetään matkustajalaivan karilleajovaurioiden tilastolliseen arviointiin todellisissa ympäristöolosuhteissa. Menetelmässä käytetään Monte Carlo -simulointia laivan operointiparametrien ja kartiomaisen kiven ominaisuuksien määrittämiseen, joita käytetään syötetietoina FSI-mallille. Väitöskirjan keskeiset havainnot ovat seuraavat: (1) Nopean kuuden vapausasteen ohjailumallin ennustamat liikeradat ja laivan liikkeet vastaavat hyvin koetuloksia. Malli idealisoi hyvin hydrodynamiikan vaikutuksen laivan liikkeisiin; (2) Laivan pohjan ja karin välisessä kontaktissa syntyvän levyn repeämän aukeamiskulma riippuu laivan liikkeistä ja karin tunkeuman syvyydestä. Oletuksesta, jonka mukaan aukeamiskulma on kontaktin aikana vakio, tulisi luopua; (3) Nopea kytkentäalgoritmi vähentää merkittävästi laskenta-aikaa ja ennustaa riittävällä tarkkuudella rakenteen muodonmuutoksen ja vauriolaajuuden; (4) Uuden menetelmän ennustamat vauriolaajuudet ja historiallisen aineiston läpikäynti viittaavat, että vaurioiden pituudet ovat suurempia kuin olemassa oleviin vauriotietokantoihin pohjautuvien vaurioiden. Ehdotetun mallin arviot vaurion leveydelle ja tunkeumalle ovat marginaalisesti pienempiä.